Optoelectronic Generation of Light€¦ · Band gap of compound semiconductors alloy 1A ( ) B E x...
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1 Optoelectronic Generation of Light Optische Signalgeneration ist für eine Vielfalt von passiven und aktiven informationsverarbeitenden Funktionen verantwortlich. Optische Signale werden verwendet für: • Nachrichtenübertragung • Anzeigesysteme (Großflächenbildschirme, Farbdisplays,…) • Speichersysteme (Optische Disk, CD-Player, DVD, …) • Optische Schalter • Optische Logikbausteine -> optischer Computer Neben der optischen Signalübertragung wird aber immer mehr auch die Beleuchtung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen dominiert, z.B. • Verkehrsampeln und -leitsystemen • Autobeleuchtung (Innenbeleuchtung, Rückleuchten, Scheinwerfer, …) • Raumbeleuchtung (Innenbeleuchtung, Notweißsignalleuchten, Treppenbeleuchtung, …) • Gebäudebeleuchtung (Kirchen, Brücken, … mit unterschiedlichen Farben) Optoelektronische Halbleiterbauelemente, WS16/17 Prof. Dr. Donat J. As 27.10.2016
Transcript of Optoelectronic Generation of Light€¦ · Band gap of compound semiconductors alloy 1A ( ) B E x...
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Optoelectronic Generation of Light Optische Signalgeneration ist für eine Vielfalt von passiven und aktiven informationsverarbeitenden Funktionen verantwortlich.
Optische Signale werden verwendet für: • Nachrichtenübertragung • Anzeigesysteme (Großflächenbildschirme, Farbdisplays,…) • Speichersysteme (Optische Disk, CD-Player, DVD, …) • Optische Schalter • Optische Logikbausteine -> optischer Computer
Neben der optischen Signalübertragung wird aber immer mehr auch die Beleuchtung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen dominiert, z.B.
• Verkehrsampeln und -leitsystemen • Autobeleuchtung (Innenbeleuchtung, Rückleuchten, Scheinwerfer, …) • Raumbeleuchtung (Innenbeleuchtung, Notweißsignalleuchten, Treppenbeleuchtung, …) • Gebäudebeleuchtung (Kirchen, Brücken, … mit unterschiedlichen Farben)
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Solid State Lighting (SSL)
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Light Emitting Diode (LED) Die Licht emittierende Diode (LED, Leuchtdiode) ist eins der einfachsten optoelektronischen Bauelemente, welches besonders wichtige Anwendung in der Displaytechnologie (Hintergrundbeleuchtung von Handydisplays, Monitore) als auch als optische Signalquelle für optische Nachrichtenübermittlung bekommen hat. Auch in der Beleuchtungstechnik (Autoscheinwerfer, Raumbeleuchtung, Taschenlampen,..) werden LEDs immer wichtiger.
Im Vergleich zu Laserdioden (LD) ist eine LED relativ einfach und benötigt keinen optischen Resonator zum Betrieb: Nachteile sind jedoch:
• niedrige optische Ausgangsleistung (stimmt nur mehr teilweise) • breites und inkohärentes Emissionsspektrum • langsamere Modulierbarkeit (< 100 MHz)
Die Basis für eine LED ist ein p-n-Übergang, der in Vorwärtsrichtung betrieben wird!
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Power of LED
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Development of the power of LED
• Der Fortschritt in der Effizienz von LEDs ist sehr groß • Für weiße LEDs hat Phillips 2013 200 lm/Watt weißes Licht erreicht • 15 lm/W für Glühlampe, 50-100 lm/Watt für eine Leuchtstoffröhre
• Auch für rote LEDs sind 200 lm/Watt erzielt worden (Osram 2011) • Mehr als 60 % der elektrischen Leistung werden in Licht umgesetzt.
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LED: Basics Die LED ist die Grundvoraussetzung für eine Laserdiode (LD), deren Anwendung für Modulationsgeschwindigkeiten oberhalb von 5 GHz benötigt werden oder wo spektral reine optische Emission (∆λ < 1nm) benötigt werden.
Spektrale Breite einer LED: ~kBT dies entspricht bei Raumtemperatur (~26 meV) einem Wellenlängenbreite von ca. 30-40 nm. für menschliches Auge trotzdem monochromatisch
Grundlage der LED ist ein vorwärts gespannter p-n-Übergang, in dem Elektronen (Löcher) in das p-(n-) Gebiet injiziert werden. Die injizierten Minoritätsladungsträger rekombinieren mit den Majoritätsladungsträgern in der Verarmungszone oder dem neutralen Bereich.
In direkten Halbleitern (wie z.B. GaAs) führt diese Rekombination zur Lichtemission da dort strahlende Rekombination überwiegt. In indirekten Halbleitern (wie z.B. Si) erfolgt die Rekomination überwiegend zur Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen) und damit nichtstrahlend.
LED = p-n Übergang in direktem Halbleiter
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p-n-junction: electronic properties
photon
V
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Direct - indirect Semiconductor
Important considerations for the selection of a semiconductur for LED or Laser diodes:
• Emission energy (wavelength for the used application) • Availability of suitable substrate (Growth of epitaxial layers)
Phononen
( )1239,85( )E eV
nmλ=Connection: Energy – wavelength:
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Emission wavelength Generation of light by recombination of e-h-pairs above the band gap! => Band gap Eg determines the emission energy!
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Availability of substrates • Nearly all optoelectronic light sources depend on epitaxial growth methodes • Thick active epitaxial layers (~ some µm) are deposited on thick substrates
(~200-700 µm). • For high quality devices the epilayer have to be as defect free as possible
(Defects = non-radiative rekombination centers) • Availability of high quality substrates is very important for the epitaxy, since
with lattice mismatched substrates the formation of dislocations and other defects is possible.
The most important available substrats for LED-technology are: a) Si b) GaAs c) InP d) Saphir e) LiNbO2
genügend rein, kommerziell erhältlich, groß genug ( 2-3 Zoll) }
However, only a few semiconductors and their alloys are lattice matched to the substrates.
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Lattice constant of compound semiconductors
( )1A Ba x a x a= ⋅ + − ⋅
The lattice constant of a co,mpound is in good approximation the wheighted mean value of the different components, e.g. the lattice constants of the alloy compound AxB1-x is. (z.B. A = GaAs, B= InAs)
Vegards law
where aA and aB are the lattice constants of material A and B. This lineare Interpolation is called Vegards law.
Important Semiconductors for optoelectronic applications are: a) GaxAl1-xAs lattice matched to GaAs b) In0.53Ga0.47As lattice matched to InP c) In0.52Al0.48As lattice matched to InP d) InGaAsP lattice matched to GaAs (visible spectral range)
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Lattice constants of binary compound semiconductors
Gitterfehlanpassung [%] | | 100Film Substrat
Substrat
a aa−
= ×
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Lattice mismatch
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Band gap of compound semiconductors
( )( ) 1alloy A Bgap gap gapE x x E x E= ⋅ + − ⋅
• Band gap of ternary Compound semiconductors is “between“ values of the binary compounds.
• Lineare Interpolation possible:
• Due to disorder in the compound offen „bowing effects“ are observed, which can be described by nonlinear dependence.
• Improved description by a parabolic dependence:
2( ) = Anteil von B
alloy Agap gapE x E b x c x
x= + ⋅ + ⋅
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Compound semiconductors: band bowing
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AlxGa1-xAs: direct vs. indirect
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classic III-V-Halbleiter
1.3 µm
1.55 µm
for optical communications systems
Covers the visible spectral range only up to red!
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Gruppe-III-Nitride
• Covers the whole visible spectral range!
• also UV! • Very important for
illumination techniques! • Very important for the
optical data storage (Blue-Ray,..)
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UV-Materials
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IR-Materials InP GaAs
Important for chemical Analytics (Gas sensors)
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Eg vs. T
h-
( )1239,85( )E eV
nmλ=
• i. A. nimmt Eg mit steigendem T ab
• Rotverschiebung der Emission mit zunehmender Temperatur
• Temperaturdrift kann ein Problem (vor allem für Laser) sein
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Eg vs. T
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Emission via defect levels For light emission also defect levels are usable, e.g. the nitrogen level in the alloy GaAsP.
Emission between red and green: first red and green LEDs
Drawback: low efficience
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Data transmission via SiO2 - glass fiber
1
2
10 log Pn dBP
=
dB P1/P2
3 2 10 10 20 100 0.2 1.047 0.5 1.122
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Data transmission via plastic optical fiber (POF)
150 dB/km (650 nm)
AlGa
InP/
AlIn
P
(PMMA polymethyl methacrylate)
InG
aN/A
lGaN
70 dB/km
(510 nm, 570 nm)
Silica fiber: 0.15 dB/km (1.55 µm)
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Conclusions: Material systems Wichtige Materialsysteme Kommentare
• gitterangepasst an InP • großer Emissionsbereich (~0.8 bis 1.35) • Materialtechnologie ist fortgeschritten und kann für Kommunikationsanwendungen eingesetzt werden
• gitterangepasst an GaAs • Materialtechnologie sehr fortgeschritten und kann für LANs eingesetzt werden
In1-xGaxAsyP1-y: für x=0.47 gitterangpasst Egap=1.35-072 y+0.12 y2 (eV)
AlGaAs: Egap=1.43 + 1.25 x (eV); x<0.35
GaAs1-xPx: • Material wird bei x=0.45 indirekt • durch N-dotierung: obwohl indirekt - grüne LED (λ=0.55µm) • sehr vielseitig: rot (GaAs0.6P0.4)
orange (GaAs0.35P0.65:N) gelb (GaAs0.15P0.85:N)
SiC, GaN, ZnS, ZnSe: Material mit großer Bandlücke für blaues Licht und darüber
• wichtige Materialien für blaue Emission • GaN von enormer Bedeutung, Technologie entwickelt sich schnell
HgCdTe, PbTe, PbS, InSb: IR Material
• wichtige Materialien für IR Emission • Technologie noch nicht ausgereift
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